Sistem Difusi Suara – Pendahuluan
Speaker pengeras suara atau loudspeaker mengubah sinyal listrik yang mengangkut suara menjadi gelombang akustik. Seperti kita lihat, fungsi utamanya sangat jelas. Namun, pembuatan difuser akustik yang mengubah kualitas suara terdengar sesedikit mungkin merupakan pekerjaan yang sangat rumit yang melibatkan banyak aspek teoretis dan praktis. Pada bagian ini kita menganalisa karakteristik loudspeaker dan bagaimana pemanfaatannya dalam konstruksi difuser, dan juga mendeskripsikan aspek elektrik dan akustik yang terlibat. Tipe loudspeaker yang digunakan umumnya tipe elektrodinamik, sehingga tipe loudspeaker ini yang akan menjadi titik fokus kita pada bagian-bagian selanjutnya.
Loudspeaker Elektrodinamika
udspeaker macam ini dibuat dengan menerapkan prinsip yang berkebalikan dengan yang digunakan pada mikrofon elektrodinamik. Kumparan, yang dipasang dengan membran, ditempatkan dalam magnet sirkular dan menghasilkan gelombang akustik dari sinyal listrik yang diterima kumparan. Situasi ini digambar diagram berikut:
Gambar 9.1 Skema loudspeaker yang disederhanakan
Diagram di atas adalah ilustrasi yang disederhanakan, tetapi memadai untuk analisa karakteristik loudspeaker. Ketika sinyal listrik diterapkan pada kedua ujung konduktor, arus yang terdiri dari aliran elektron melaluinya. Namun, mengingat elektron terhambat oleh medan magnet, agar elektron mengalir melalui konduktor maka konduktor harus bergerak. Seluruh kumparan bergerak ke atas dan bawah mengikuti polaritas yang diterapkan pada ujungnya, atau dengan kata lain, bergantung kepada sinyal listrik. Jika sinyal sinusoidal dengan amplitudo tertentu diterapkan, semi-gelombang positif akan mendorong kumparan (dan membran) ke atas, sedangkan semi-gelombang negatif mendorong kumparan dan membran ke bawah. Gerakan membran menghasilkan kompresi dan regangan udara sehingga menghasilkan suara.
Membran terpasang di atas kumparan dengan menggunakan sistem suspensi elastik, seperti ditunjukkan gambar berikut:
Gambar 9.2 Suspensi elastik membran
Sistem suspensi harus dibuat dengan amat teliti karena fungsinya untuk memusatkan kumparan ditengah ruang udara* dengan sempurna, dan atenuasi osilasi yang tepat. Karenanya, suspensi terbuat dari material berat dengan pola berombak yang mampu memelankan osilasi akibat sinyal listrik.
*Magnet memiliki lubang di tengah dimana ditempatkan silinder logam. Bagian sirkular antara magnet dan logam disebut ruang udara. Kumparan ditempatkan dalam ruang udara ini
Frekuensi Resonansi Loudspeaker
Sistem elastis yang dikenai stimulus berosilasi bereaksi secara berbeda-beda bergantung kepada kandungan frekuensi stimulus. Sistem elastis berosilasi ketika frekuensi stimulus mendekati frekuensi resonansi sistem. Setiap sistem elastis memiliki frekuensi resonansi yang bisa dihitung berdasarkan formula matematis yang mendeskripsikan kuantitas di dalam sistem itu sendiri.
Mari kita bergerak dari teori menuju penerapan. Umpamakan sistem elastis loudspeaker (terdiri dari membran, kumparan, dan bagian lainnya), dengan frekuensi resonansi 40 Hz.
Dengan memberikan sinyal listrik sinusoidal ke loudspeaker dan mengubah frekuensi sinyal, membran loudspeaker tidak bergerak (atau bergerak sedikit) hingga frekuensi sinyal jauh dari frekuensi resonansi loudspeaker. Membran mulai berosilasi ketika frekuensi sinyal berada di sekitar 40 Hz, dan terdengar suara dari loudspeaker yang berkorespondensi terhadap frekuensi sinyal listrik.
Diagram berikut menunjukkan amplitudo osilasi, dengan stimulus sinyal frekuensi bervariasi:
Gambar 9.3 Stimulasi sistem elastis
Amplitudo osilasi tertinggi terjadi saat berdekatan dengan frekuensi resonansi, dan hampir tiada di tempat-tempat lain. Diagram juga menunjukkan diagram fase sistem elastis, dan menjelaskan bagaimana frekuensi lebih besar dari frekuensi resonansi bisa mengalami inversi fase (kesenjangan fase 180 derajat menyebabkan inversi polaritas, atau inversi fase). Situasi ini sangat tidak diinginkan untuk loudspeaker yang seharusnya tidak mengubah sinyal input atau memiliki inversi fase pada rentang frekuensi yang harus direproduksinya. Diagram fase loudspeaker secara nyata tidak akan pernah memiliki laju seperti yang digambarkan; laju tersebut digunakan sekedar untuk mengilustrasikan permasalahan laju fase yang sering diabaikan.
Efisiensi Loudspeaker
Efisiensi adalah ukuran efektif daya akustik sebuah loudspeaker. Dengan kata lain: kemampuan loudspeaker mengubah energi listrik menjadi energi akustik. Jelas semakin besar efisiensi loudspeaker, semakin besar energi listrik yang diubah menjadi energi akustik. Energi listrik yang tidak terkonversi menjadi energi akustik didisipasi sebagai panas oleh loudspeaker. Ini adalah salah satu alasan mengapa kumparan dalam ruang udara dibuat kedap udara: kehadiran udara akan menyebabkan kenaikan suhu yang lebih besar akibat disipasi energi, dan beresiko merusak kumparan.
Efisiensi bergantung kepada frekuensi, sehingga loudspeaker digunakan pada rentang frekuensi dimana efisiensi berada pada puncaknya dan hampir selalu konstan. Efisiensi loudspeaker biasanya sangat rendah, pada orde 1-2% hingga maksimum 8%.
Untuk meningkatkan efisiensi, berbagai metode digunakan bergantung kepada rentang frekuensi yang direproduksi. Pada frekuensi rendah, membran kerucut mengumpulkan udara dan menggerakkannya lebih baik daripada membran datar. Diagram berikut mengilustrasikan situasi ini:
Gambar 9.4 Perbandingan antara membran kerucut dan datar
9.4.1 Loudspeaker suspensi pneumatic
Untuk loudspeaker dengan frekuensi rendah, efisiensi ternyata sangat rendah dikarenakan suspensi elastik sangat memperlambat osilasi untuk mencegah reproduksi suara tak diinginkan. Loudspeaker suspensi pneumatic digunakan untuk meningkatkan efisiensi. Dalam kasus ini, loudspeaker dipasang pada wadah kedap udara dan sifat “memperlambat” pada material yang menggabungkan membran dengan loudspeaker dihilangkan, yang terjadi akibat pemulihan variasi tekanan yang dihasilkan osilasi membran. Dengan kata lain, mengingat area belakang membran kedap udara, gerakan membran memicu variasi tekanan internal yang dipulihkan oleh kantung udara. Hal ini memungkinkan pergerakan membran yang lebih besar sehingga meningkatkan efisiensi.
9.4.2 Loudspeaker terompet akustik
Untuk meningkatkan efisiensi loudspeaker yang mereproduksi frekuensi tinggi, loudspeaker dipasang pada dasar sebuah saluran berbentuk terompet, seperti dalam gambar berikut:
Gambar 9.5 Loudspeaker horn
Pada cara ini, terjadi impedance matching (penyeragaman impedansi) akustik. Tanpa terompet, membran berhubungan dengan permukaan udara yang secara teori jauh lebih besar daripada membran itu sendiri, dan ini menghasilkan dispersi energi akustik ke segala arah. Sedangkan dengan terompet, membran berhubungan dengan permukaan udara yang mirip dengan permukaannya sendiri. Lapisan udara pertama (yang memiliki permukaan sedikit lebih besar daripada membran), berhubungan dengan lapisan udara berikutnya, yang dikarenakan bentuk terompet, sedikit lebih besar daripada lapisan sebelumnya, dan seterusnya. Dengan seperti ini, udara bergerak secara progresif dari satu lapisan ke lapisan lainnya. Energi akustik tersalurkan dengan baik, dan menghindari dispersi. Ada berbagai bentuk terompet, masing-masing dengan karakteristiknya sendiri, tetapi dengan prinsip fungsi yang sama. Dengan sistem ini, efisiensi bisa meningkat hingga 30%
Selain meningkatkan efisiensi sistem, sistem ini juga digunakan untuk mengarahkan frekuensi tinggi, yang bergantung kepada arah difusi.
Impedansi Loudspeaker
Pada bagian sebelumnya, telah dijelaskan arti impedansi rangkaian listrik. Karena merupakan rangkaian, loudspeaker memiliki impedansi yang bergantung terhadap frekuensi sinyal yang diberikan. Secara umum, impedansi difuser akustik merupakan kombinasi impedansi setiap loudspeaker dan rangkaiannya. Nilai umum impedansi difusor adalah: 4 Ohm, 8 Ohm, 16 Ohm. Nilai-nilai ini merupakan nilai indikatif, karena seperti disebut sebelumnya, impedansi bergantung terhadap frekuensi. Gambar berikut memperlihatkan laju umum impedansi loudspeaker dengan nilai impedansi 8 Ohm*:
Gambar 9.6 Laju umum impedansi loudspeaker
*Nilai impedansi loudspeaker atau difusor adalah nilai impedansi yang berkorespondensi dengan 1 KHZ, dan merupakan referensi untuk definisi nilai impedansi.
Respons Frekuensi
Respons frekuensi terdiri dari diagram yang menampilkan keakuratan dimana semua frekuensi suara direproduksi. Diagram berikutnya sebagai contoh:
Gambar 9.7 Respons frekuensi difusor
Sensitivitas ditampilkan dalam hubungannya terhadap frekuensi. Pada teori, nilai hubungan ini seharusnya tetap konstan sehingga difusor memiliki respons yang sama pada semua frekuensi. Diagram ini juga menunjukkan amplitudo yang diukur pada sudut-sudut yang berbeda dalam hubungannya terhadap arah difusi suara. Pada sudut 90 derajat, respons jauh berbeda dengan 0 derajat, terutama pada frekuensi tinggi yang paling dipengaruhi oleh arah.
Sensitivitas dan Daya Pakai Loudspeaker
9.5.1 Sensitivitas loudspeaker
Terukur dalam dBSPL. Ia mengukur intensitas tekanan suara pada jarak satu meter dari loudspeaker ketika sinyal elektrik sebesar 1 Watt diterapkan padanya. Sebagai contoh, 93 dBSPL/m/W mengindikasi dalam kondisi tersebut tekanan suara sebesar 93 dBSPL terukur.
9.5.2 Daya pakai maksimum
Terukur oleh dua kuantitas. Peak power atau daya puncak adalah daya maksimum yang bisa ditangani loudspeaker tanpa mengalami kerusakan. Jika sinyal melebihi nilai ini sekali saja, loudspeaker akan rusak. Daya RMS (root mean square) adalah unit yang mengukur daya pakai rata-rata untuk rentang waktu tertentu sebelum panas mulai merusak loudspeaker.
Polar Pattern Loudspeaker
Diagram berikut mengilustrasikan karakteristik direksional loudspeaker.
Gambar 9.8 Polar pattern loudspeaker
Garis-garis yang berbeda mengindikasikan intensitas suara berubah seiring sudut propagasi. Setiap garis dikarakterisasi dengan frekuensi. Dapat dilihat, frekuensi rendah lebih tidak direksional daripada frekuensi tinggi: kurva frekuensi terendah (250 Hz) memiliki penampang yang regular, independen dari arah, yang semakin ireguler dengan meningkatnya frekuensi.
Sistem Difusi Suara – Subwoofer, Woofer, Midrange, Tweeter
Dimensi membran sangat mempengaruhi kondisi fungsional loudspeaker. Semakin besar dimensi membran dan massanya, semakin kecil frekuensi resonansinya, sehingga membran besar ideal untuk mereproduksi frekuensi rendah tetapi tidak berguna untuk mereproduksi frekuensi tinggi. Dari pembagian ini muncul sub-pembagian selanjutnya loudspeaker menjadi tiga kategori utama, masing-masing didedikasikan untuk mereproduksi rentang frekuensi tertentu dari spektrum yang dapat didengar.
Woofer adalah jenis loudspeaker yang digunakan untuk reproduksi frekuensi rendah. Membran woofer cenderung besar: semakin besar membran semakin kecil frekuensi resonansinya, sehingga rentang yang bisa direproduksi loudspeaker mencapai frekuensi rendah.
Jelas, semakin besar membran, semakin banyak kuantitas udara yang digetarkan, sehingga semakin besar daya yang dibutuhkan untuk mengumpan loudspeaker secara memadai. Kadang loudspeaker yang diciptakan untuk reproduksi frekuensi sangat rendah (20 – 40 Hz) digunakan. Loudspeaker ini disebut subwoofer. Loudspeaker yang digunakan untuk reproduksi frekuensi pertengahan disebut midrange, yang lebih kecil ukurannya dibandingkan woofer dan memiliki membran yang lebih ringan. Terakhir, untuk reproduksi frekuensi rendah, tweeter digunakan, yang memiliki membran sangat kecil.
Loudspeaker Piezoelectric
Loudspeaker jenis ini memanfaatkan secara penuh sifat-sifat material tertentu yang bergetar ketika arus listrik mengalir melaluinya. Frekuensi getaran proporsional terhadap frekuensi arus yang diaplikasikan, dan dengan cara ini suara yang ditranportasi oleh sinyal listrik direproduksi. Loudspeaker piezoelectric sangat efisien dan memiliki impedansi tinggi (sehingga ideal untuk menyusun matriks loudspeaker yang terdiri dari banyak elemen yang, ketika dihubungkan secara paralel memberikan impedansi yang sama dengan loudspeaker electrodynamic pada umumnya). Loudspeaker piezoelectric juga mampu mereproduksi frekuensi sangat tinggi, sehingga sering digunakan terutama sebagai tweeter.
Difusor
Setiap macam loudspeaker spesialisasi dalam rentang frekuensi tertentu, sehingga untuk mereproduksi keseluruhan spektrum suara yang bisa didengar (20 Hz – 20 kHz) dibutuhkan lebih dari satu loudspeaker pada satu waktu. Namun sinyal suara juga perlu difilter sebelum mencapai loudspeaker agar setiap loudspeaker hanya menerima sinyal yang bisa diprosesnya. Hal ini dilakukan menggunakan low-pass, band-pass, dan high-pass filter yang tergabung dalam satu rangkaian listrik disebut crossover.
9.11.1 Crossover
Crossover terdiri dari filter yang membagi sinyal yang masuk menjadi beberapa sinyal yang masing-masing meliputi rentang frekuensi tertentu. Sebagai contoh, 3-way crossover menghasilkan tiga sinyal: satu mengandung frekuensi rendah yang dikirim ke woofer, satu mengandung frekuensi tengah yang dikirim ke midrange, dan satu mengandung frekuensi tinggi yang dikirim ke tweeter, seperti yang ditunjukkan diagram berikut:
Gambar 9.9 3-way crossover
Respon tipikal sebuah 3-way crossover digambarkan dalam figur berikut:
Gambar 9.10 Respon frekuensi 3-way crossover
Kita amati apa yang terjadi dengan cut frequency. Untuk menjamin rentang frekuensi terdistribusi kepada loudspeaker dengan tepat, cut frequency filter saling bertindihan. Sebagai contoh cut-off frequency rendah untuk band-pass filter berkorespondensi dengan cut-off frequency low-pass filter. Pada contoh di diagram sebelumnya kita melihat kedua cut frequency memiliki nilai 80 Hz. Nilai frekuensi ini, seperti semua frekuensi yang langsung bersebelahan dengannya, direproduksi baik oleh speaker woofer maupun midrange, sehingga direproduksi oleh dua loudspeaker sekaligus. Peningkatan ini dikompensasi secara sempurna oleh adanya gain-drop sebesar 3 dB pada cut-off frequency, sehingga jumlah kedua suara yang dihasilkan masing-masing loudspeaker mengembalikan sinyal ke amplitudo semula. Jika kita menggeser cut frequency, maka frekuensi tersebut akan direproduksi oleh kedua loudspeaker. Seiring dengan meningkatnya amplitudo tereproduksi salah satu speaker, speaker satunya tereduksi sehingga kedua speaker saling mengkompensasi agar jumlah amplitudo tetap konstan.
Aksi crossover bisa terjadi pada dua titik terpisah di rantai amplikfikasi, dengan hasil dan harga yang berbeda:
Active crossover (atau persilangan aktif): tipe crossover ini terdiri dari sebuah rangkaian aktif yang bisa menghasilkan daya sendiri dan memproses sinyal sebelum sinyal diamplifikasi. Akibatnya, pada output suatu 3-way crossover dihasilkan 3 sinyal, masing-masing membawa rentang frekuensi tertentu yang perlu diamplifikasi secara terpisah. Hal ini memungkinkan kita menggunakan amplifier yang dirancang untuk reproduksi rentang frekuensi tertentu sehingga bisa mencapai standar kualitas lebih tinggi.Crossover aktif digambarkan diagram berikut:
Gambar 9.11 Skema crossover aktif
Passive crossover (atau persilangan pasif): dalam kasus ini sinyal mencapai crossover setelah mengalami amplifikasi. Karena satu amplifier telah digunakan untuk mengamplifikasi sinyal, crossover tipe ini tidak perlu daya otonom
Gambar 9.12 Skema crossover pasif
Solusi ini jauh lebih hemat, tetapi memiliki kualitas yang lebih rendah bila dibandingkan dengan tipe crossover sebelumnya karena hanya melibatkan satu amplifier untuk seluruh spektrum suara sehingga menghasilkan amplifikasi sinyal yang lebih tidak akurat.
Jenis Kotak Akustik
Loudspeaker bergerak pada satu arah menghasilkan kompresi di depannya; pada saat yang bersamaan loudspeaker juga menghasilkan dilasi di belakangnya. Kedua gelombang tersebut cenderung saling meniadakan karena kesenjangan fase, sehingga menghambat difusi gelombang akustik ke lingkungan. Hal ini bisa dihindari dengan memasang loudspeaker pada panel yang berfungsi membagi kedua gelombang sehingga gelombang eksternal bebas untuk propagasi. Sepasang loudspeaker dipasang pada salah satu dari empat sisi sebuah acoustic box atau kotak akustik yang menyegel gelombang yang dihasilkan di belakang loudspeaker sehingga tidak mengganggu gelombang eksternal.
Dengan sistem ini gelombang terdifusi tetapi inefisien, karena gelombang posterior sepenuhnya tidak tereksploitasi. Namun, energi gelombang posterior bisa dimanfaatkan untuk meningkatkan efisiensi; tiga rancangan tradisional kotak yang didesain untuk tujuan ini adalah: bass reflex box, drone cone box, dan rear horn box.
9.12.1. Bass reflex (Refleks bass)
Diagram berikut menunjukkan penampang dari kotak tipe ini:
Gambar 9.13 Skema kotak refleks bass
Karena lubang terbukanya, kotak ini berlaku sebagai resonator Helmoltz yang beresonansi pada frekuensi yang berdekatan dengan frekuensi resonansi kerucut speaker (dimensi kotak didesain sesuai keperluan) sehingga mengembalikan frekuensi yang sama dengan yang dipancarkan kerucut pada bukaan depan. Gelombang ini yang telah menjalani satu siklus di dalam kotak, tiba di bukaan dengan fase terinversi, sehingga berada dalam keseragaman fase dengan gelombang di depan kerucut dan memperkuatnya serta meningkatkan efisiensi kotak.
9.12.2. Passive cone (Kerucut pasif)
Kerucut kedua, tanpa kumparan atau magnet, dipasang di sebelah kerucut utama. Kotak disegel dan ketika kerucut utama bergerak, gelombang posterior merambat melalui udara dan membuat kerucut kedua bergerak satu fase dengan kerucut utama, sehingga meningkatkan efisiensi.
Gambar 9.14 Skema kotak kerucut pasif
9.12.3. Retroactive horn (Tanduk retroaktif)
Gelombang suara belakang melewati jalur tanduk dalam kotak dan penyamaan impedansi akustik terjadi sehingga meningkatkan efisiensi.
Gambar 9.15 Skema kotak tanduk retroaktif